結(jié)構(gòu)缺陷面缺陷.ppt

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1、4面缺陷的基本性質(zhì)面缺陷是是將材料分成若干區(qū)域的邊界。每個(gè)區(qū)域內(nèi)具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，區(qū)域之間有不同的取向。由于晶界對(duì)材料的力學(xué)、腐蝕、冶金性能等有很大的影響，因此人們對(duì)晶界的結(jié)構(gòu)非常感興趣，進(jìn)行過(guò)許多理論和實(shí)驗(yàn)研究。面缺陷是指兩個(gè)方向尺寸較大，另一個(gè)方向尺寸較小的缺陷。通常是幾個(gè)原子層厚的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)和性能不同于晶體的內(nèi)部。面缺陷可以是平面，也可以是曲面。如表面、晶界、界面、層錯(cuò)、孿晶面等。晶界分類(lèi)：根據(jù)區(qū)域間取向的幾何關(guān)系不同：位錯(cuò)界面、孿晶界面和平移界面；根據(jù)界面上質(zhì)點(diǎn)排列情況不同：共格、半共格和非共格界面；根據(jù)相鄰兩個(gè)晶粒取向角度偏差大小

2、，小角度晶界、大角度晶界；晶界是不同取向的晶粒之間的界面，是很薄的過(guò)渡層。小角度晶界：相鄰兩個(gè)晶粒取向角度θ小于10o~15o；大角度晶界：相鄰兩個(gè)晶粒取向角度θ大于10o~15o。多晶材料中常存在大角度晶界，但晶粒內(nèi)部的亞晶粒（單晶材料中取向差很小的晶粒稱(chēng)為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱(chēng)為亞晶界，其θ通常為1o~5o）之間則是小角度晶界。晶界的性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)，而晶界的結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于晶界的位置。確定晶界位置的5個(gè)自由度：兩個(gè)晶粒相對(duì)取向：一個(gè)晶粒相對(duì)于另一個(gè)晶粒繞某一軸旋轉(zhuǎn)一定角度θ，確定需要兩個(gè)變量，即兩個(gè)方向余弦，和θ定了，兩個(gè)晶粒相對(duì)取向就確定了

3、，兩個(gè)方向余弦和θ為三個(gè)自由度；相對(duì)位向：晶界在兩個(gè)晶粒之間的位置，用晶界平面的法線方向決定，需要2個(gè)方向余弦確定，即2個(gè)自由度；4.1小角度晶界4.2大角度晶界4.3其它晶界模型4.4相界模型4.5晶界能4.6單相多晶體中的晶粒形狀4.1小角度晶界晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，當(dāng)取向差θ小于10~15o時(shí)，稱(chēng)為小角度晶界。根據(jù)形成晶界時(shí)的操作不同，晶界分為傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。傾斜晶界包括：對(duì)稱(chēng)傾斜晶界和不對(duì)稱(chēng)傾斜晶界一、傾斜晶界傾斜晶界特點(diǎn)：下面先以簡(jiǎn)單立方晶體為例討論轉(zhuǎn)軸在晶界平面內(nèi)，有3個(gè)自由度簡(jiǎn)單立方晶體中的對(duì)稱(chēng)傾斜晶界傾斜晶界為（10

4、0）面（晶界平面）。投影面為（001）面。兩側(cè)晶粒的位向差為θ，相當(dāng)于相鄰晶粒繞[001]軸反向各自旋轉(zhuǎn)θ/2而成。轉(zhuǎn)軸是[001]幾何特征是相鄰兩晶粒相對(duì)于晶界作旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸在晶界內(nèi)并與位錯(cuò)線平行。為了填補(bǔ)相鄰兩個(gè)晶粒取向之間的偏差，使原子的排列盡可能接近原來(lái)的完整晶格，每隔幾行就插入一片原子。只有角度θ是可變的，即只有1個(gè)自由度簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)晶體的對(duì)稱(chēng)傾斜晶界對(duì)稱(chēng)傾斜晶界是最簡(jiǎn)單的小角度晶界這種晶界的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由一系列平行等距離排列的同號(hào)刃位錯(cuò)所構(gòu)成。位錯(cuò)間距離D、伯氏矢量b與取向差θ之間滿(mǎn)足下列關(guān)系由上式知，當(dāng)θ小時(shí)，位錯(cuò)間距較大，若b=0.25nm，θ

5、=1o，則D=14nm；若θ＞10o，則位錯(cuò)間距太近，位錯(cuò)模型不再適應(yīng)。簡(jiǎn)單立方晶體中的不對(duì)稱(chēng)傾斜晶界形成：界面是繞[001]軸旋轉(zhuǎn)角度φ的任意面，相鄰兩晶粒的取向差仍是很小的θ角，但界面兩側(cè)晶粒是不對(duì)稱(chēng)的。界面與左側(cè)晶粒軸向夾角為φ-θ/2，與右側(cè)晶粒的[100]成φ+θ/2晶界平面是任意面（hkl）轉(zhuǎn)軸是[001]結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：有兩個(gè)自由度φ、θ，由兩組相互垂直的刃位錯(cuò)所組成。設(shè)晶界AC的長(zhǎng)度為1，位錯(cuò)數(shù)目：相鄰?fù)M位錯(cuò)的距離：傾斜晶界的產(chǎn)生：在高溫下生長(zhǎng)或充分退火的晶體中常存在著傾斜晶界，傾斜晶界是位錯(cuò)滑移和攀移運(yùn)動(dòng)所形成的一種平衡組態(tài)。在其形成過(guò)程中

6、，由于位錯(cuò)的長(zhǎng)程應(yīng)力場(chǎng)相互抵消，是一個(gè)能量降低過(guò)程，因此傾斜晶界形成后很難消除。由于傾斜晶界的界面能比一般的晶界低，因此，傾斜晶界即小角度晶界就不能有效地阻止位錯(cuò)的滑移。因而對(duì)晶體的力學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)有較大影響。要消除晶體中的小角度晶界，工藝上必須控制位錯(cuò)的形成。簡(jiǎn)單立方晶體扭轉(zhuǎn)晶界旋轉(zhuǎn)θ角晶面平面是（001）面，轉(zhuǎn)軸是[001]兩者互相垂直結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：晶界是由兩組相互垂直的螺位錯(cuò)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)形成：扭轉(zhuǎn)后，為了降低原子錯(cuò)排引起的能量增加，晶面內(nèi)的原子會(huì)適當(dāng)位移以確保盡可能多的原子恢復(fù)到平衡位置（此即結(jié)構(gòu)弛豫），不能回到平衡位置的，最后形成兩組相互垂直分布的螺位

7、錯(cuò)。二、扭轉(zhuǎn)晶界[010][100]簡(jiǎn)單的扭轉(zhuǎn)晶界只有一個(gè)自由度θ推廣：一般的小角度晶界，其旋轉(zhuǎn)軸和界面可以有任意的取向關(guān)系，因此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)或混合位錯(cuò)組成的二維位錯(cuò)網(wǎng)所組成?！藶樾〗嵌染Ы绲奈诲e(cuò)模型晶面位置、轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)角都是可變的，應(yīng)是5個(gè)自由度。晶面平面是圖中陰影面轉(zhuǎn)軸u一般與晶界呈任意角度旋轉(zhuǎn)角度是θ結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：晶界即包含傾斜成份，又包含扭轉(zhuǎn)成份1950年，F(xiàn)rank根據(jù)5個(gè)自由度，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的方法來(lái)確定適當(dāng)?shù)奈诲e(cuò)結(jié)構(gòu)，即所謂的Frank公式。三、一般小角度晶界晶面平面上有一組平行位錯(cuò)線O點(diǎn)是晶界平面和轉(zhuǎn)軸的交點(diǎn)晶面平面內(nèi)的任意向量

8、假定形成晶界時(shí)，晶界平面兩邊的晶粒分別繞u軸反向旋轉(zhuǎn)了θ/2，，因